多普勒與紅移

郭紅鋒

在天文學(xué)家的列表里，你可能找不到多普勒的名字，但是提起多普勒效應(yīng)，那幾乎是人人皆知;在天文學(xué)的名詞里，你可能對(duì)“紅移”這個(gè)詞耳熟能詳，但是你可能不知道它與多普勒的關(guān)系。我們?cè)谶@里就談?wù)劧嗥绽张c紅移的故事。

為了討論多普勒效應(yīng)，首先我們得知道什么是波。波動(dòng)是自然界當(dāng)中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的重要形式，例如水波（見圖1）。我們把水波截面后就會(huì)發(fā)現(xiàn)水波的傳播有波浪形的規(guī)律（見圖2），其實(shí)這也是所有的波的傳播規(guī)律（見圖3）。

波的特性可以用波長或頻率描述（見圖3），波長是指波在一個(gè)振動(dòng)周期（T，時(shí)間單位）內(nèi)傳播的距離（λ，長度單位），頻率就是波傳播的快慢程度。波長入等于波速u和周期T的乘積，即λ=uT。

同一頻率的波在不同介質(zhì)中傳播速度是不同的，所以波長也不同。頻率（用f表示）就是某一固定時(shí)間內(nèi)（例如T），通過某一指定位置的波的數(shù)目，即f=1/T或T=1/f。

真空中所有電磁波傳播的速度都是光速（用C表示）。所以λ=CT=C/f，也就是波長和頻率互為倒數(shù)。

同一種波，壓縮后波就變密集（波長短了，頻率高了），拉伸后波就變稀疏（波長長了，頻率低了）。

多普勒效應(yīng)最初是描述聲波的，由奧地利物理學(xué)家多普勒（見圖4）在1842年提出。

多普勒效應(yīng)普遍存在于我們的日常生活中。例如一輛汽車疾馳而來時(shí)，我們聽到喇叭的聲音尖利;當(dāng)汽車遠(yuǎn)離我們而去時(shí)，我們聽到喇叭的聲音低沉。這是因?yàn)?，波源（汽車）和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到波的頻率相對(duì)波源發(fā)出時(shí)的頻率發(fā)生了變化。遠(yuǎn)方急駛過來的汽車?yán)鹊穆暡?，前波與后波相擠壓，波變密集，波長變短，頻率變高，我們聽到的聲音就變得尖利;離開我們而去的汽車?yán)鹊穆暡ǎ安ㄅc后波拉開了距離，波變稀疏，波長變長，頻率變低，我們聽到的聲音就變得低沉。這就是多普勒效應(yīng)（見圖5）。

所有的波動(dòng)現(xiàn)象（包括可見光波）都存在多普勒效應(yīng)?？梢姽馐且环N混合光，里邊有眼睛可以看見的了種顏色（紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫），這了種顏色的不同就在于它們的波長（頻率）相差一點(diǎn)點(diǎn)（從紅色光到藍(lán)色光，其波長依次變短）。所以，可見光波長的變化使人感覺到顏色的變化。

例如，一顆恒星遠(yuǎn)離我們而去（見圖6上），它發(fā)出的可見光波伸長了，我們就可以測量到它的可見光譜線向紅光方向移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為紅移;如果一顆恒星朝我們而來（見圖6下），它發(fā)出的可見光波壓縮了，我們就可以測量到它的可見光譜線向藍(lán)光方向移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為藍(lán)移。這就是恒星光譜的多普勒效應(yīng)（見圖7）。

光波的多普勒效應(yīng)在近代天文學(xué)上影響非常巨大。

20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去。1929年，美國天文學(xué)家哈勃根據(jù)光譜紅移總結(jié)出著名的哈勃定律：星系的遠(yuǎn)離速度v與距地球的距離r成正比。根據(jù)哈勃定律和后來更多天體紅移的測定，人們相信宇宙在長時(shí)間內(nèi)一直在膨脹。由此反推可以得知，宇宙在前一時(shí)刻比后一時(shí)刻小，繼續(xù)推論就得出宇宙在某一時(shí)刻前是不存在的，它只能從一點(diǎn)開始膨脹。因而，1948年天文學(xué)家伽莫夫提出大爆炸宇宙模型。20世紀(jì)60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被主流天文學(xué)家稱為宇宙的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。

最后，給同學(xué)們留下兩個(gè)思考問題：

1.除了聲波和光波，你還知道哪些波有多普勒效應(yīng)，舉例說明現(xiàn)象？

2.除了水波，你還看見過什么樣的波動(dòng)現(xiàn)象，你能做一個(gè)簡單的波動(dòng)實(shí)驗(yàn)嗎？